基于云計(jì)算技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

那治廣

摘要：隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，云技術(shù)已成為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的可選方案。本文結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)際情況，從云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室物理設(shè)施、虛擬化兩方面，介紹基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)非云技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)而言，該平臺(tái)能有效地提高管理效率、降低配置成本，且能把云計(jì)算框架中的相關(guān)技術(shù)納入現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程中。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算;虛擬化;云終端;實(shí)驗(yàn)室;云桌面

中圖分類號(hào)：TP393.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）02-0256-02

The Design and Implement of An Universities' Computer Laboratory Based on Cloud Computing

NA Zhi-guang

（School of Information Engineering， Guangdong Medical College， Dongguan 523808， China）

Abstract： As it development， Cloud Computer technology become? as a variable option for the construction of? universities' computer lab's installations. This paper， according to the actual situation of the construction of? universities' computer lab's installations， explores the design and implement of an universities' computer? laboratory based on Cloud Computing from both physical facilities and virtualization. This solution， in comparison with? the traditional method ，? can improve the efficiency of management， reduce the cost of construction and? Combine compulsory course with cloud computing

Key words： cloud computer; virtualization; cloud end-point; laboratory; Cloud desktop

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累，云計(jì)算行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)成熟的階段。在國內(nèi)，許多公司已從傳轉(zhuǎn)架構(gòu)向“云”架構(gòu)遷移，例如傳統(tǒng)服務(wù)器提供商逐步成為云服務(wù)器提供商，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通過云計(jì)算提供的彈性服務(wù)節(jié)省購買、管理和維護(hù)IT基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的成本，又如通過組建私有云、采用云桌面方便地根據(jù)需求設(shè)置即時(shí)可用的測試和開發(fā)環(huán)境;又如通過云存儲(chǔ)可以獲得高可用性、高速、高可擴(kuò)展的文件存儲(chǔ)解決方案?？梢?，云計(jì)算已成為當(dāng)前信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)新的熱點(diǎn)，任何接入互聯(lián)網(wǎng)的用戶都或多或少享受“云”服務(wù)帶來的便利。

高校組網(wǎng)架構(gòu)選擇一般相對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)公司比較慎重，但隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，云技術(shù)已成為高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的可選方案。計(jì)算機(jī)的云技術(shù)與虛擬技術(shù)被引入實(shí)驗(yàn)室打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理的局限性[1，2]。采用云計(jì)算平臺(tái)構(gòu)建高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，一方面可以利用云桌面降低人員維護(hù)、培訓(xùn)與再學(xué)習(xí)的成本，另一方面云計(jì)算可伸縮的架構(gòu)也能降低由于計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的日新月異所帶來的關(guān)于設(shè)備更新的需求問題、提高硬件可利用率、進(jìn)而為維護(hù)教學(xué)與科研環(huán)境的環(huán)保需求問題等給出一個(gè)較為理想的解決方案[3]。同時(shí)，云計(jì)算平臺(tái)可以為專業(yè)學(xué)生提供云技術(shù)學(xué)習(xí)的實(shí)踐環(huán)境。通過搭建云計(jì)算應(yīng)用場景，設(shè)置與專業(yè)課程和行業(yè)接軌的實(shí)踐課程，讓學(xué)生能夠在校期間掌握當(dāng)前流行的云計(jì)算技術(shù)，以勝任日后信息化的建設(shè)、維護(hù)及云計(jì)算系統(tǒng)集成及方案設(shè)計(jì)的相關(guān)工作。

本文結(jié)合工作實(shí)踐，通過以所在單位計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)搭建為例，介紹一種基于云計(jì)算技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，該平臺(tái)能有效地提高管理效率、降低配置成本，且能把云計(jì)算框架中的相關(guān)技術(shù)納入現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程之中。

1 云計(jì)算技術(shù)

1.1 云計(jì)算的定義

云計(jì)算（cloud computing），是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展。早期的分布式計(jì)算，主要是通過網(wǎng)絡(luò)中的集群把龐大的計(jì)算任務(wù)通過拆分，以網(wǎng)絡(luò)通信方式交換數(shù)據(jù)和結(jié)果以獲得高的算力。[1，2]本文的云計(jì)算主要指通過虛擬化實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的高度整合和利用，它是云計(jì)算的基礎(chǔ)。云計(jì)算提供的服務(wù)可以分為三種類型：（1）平臺(tái)即是服務(wù)（PaaS），用戶通過呈現(xiàn)出的封裝好的界面，與虛擬的平臺(tái)進(jìn)行交互;（2）基礎(chǔ)設(shè)施即是服務(wù)（IaaS）以服務(wù)的形式將計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)施交付，通過轉(zhuǎn)移基礎(chǔ)設(shè)施到“云”中，實(shí)現(xiàn)伸縮性的供應(yīng)模式，例如騰訊云，阿里云;（3）軟件即服務(wù)（SaaS）需要通過網(wǎng)絡(luò)訪問完整的軟件，例如MicrosoftOfficeOnline，無須在本機(jī)安裝，打開瀏覽器，注冊帳號(hào)，可以隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)來使用這些軟件編輯、保存、閱讀自己的文檔。

1.2 云計(jì)算的特點(diǎn)

云計(jì)算最大的特點(diǎn)是一切都可以看成是資源，用戶可以隨時(shí)獲取和按需擴(kuò)展。這也使得它具有以下幾個(gè)特征：（1）資源動(dòng)態(tài)配置（2）需求服務(wù)自助化（3）云計(jì)算以網(wǎng)絡(luò)為中心，并通過網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù);（4）服務(wù)可計(jì)量化（5）資源的池化和透明化云。云計(jì)算的特征恰恰解決高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建及管理的痛點(diǎn)需求。資源動(dòng)態(tài)配置可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室需求及課程需求動(dòng)態(tài)增配或釋放物理和虛擬資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的彈性供給。任課教師或?qū)嶒?yàn)室管理員可以根據(jù)課程要求采用自動(dòng)的方式選擇構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的測試和開發(fā)環(huán)境;監(jiān)控出口網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)校園網(wǎng)接入的計(jì)量化;同時(shí)，對(duì)學(xué)生和非計(jì)算機(jī)專業(yè)教師使用是透明的。因此，云計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)使得成為高校計(jì)算實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的可選方案。

1.3 云計(jì)算的組件

虛擬化是云計(jì)算的基礎(chǔ)。在高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室云計(jì)算構(gòu)建中，最重要的組件是云桌面[3]。云桌面是云計(jì)算技術(shù)中對(duì)大量虛擬計(jì)算機(jī)管理的系統(tǒng)軟件，可以完成虛擬資源的分配、虛擬系統(tǒng)生成、虛擬系統(tǒng)軟件的管理及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的維護(hù)。本文采用uSmartView桌面虛擬化平臺(tái)，它是基于KVM技術(shù)的云桌面軟件。KVM是基于LINUX內(nèi)核的虛擬機(jī)，相對(duì)于Xen和VMware，該技術(shù)是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)基于硬件完全虛擬化的低成本方案。其次，在構(gòu)建中另一個(gè)重要組件是云存儲(chǔ)。云存儲(chǔ)是最容易給用戶理解和廣泛應(yīng)用的云計(jì)算概念，例如百度云。云存儲(chǔ)通過集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)或分布式文件系統(tǒng)等功能，將網(wǎng)絡(luò)中大量異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來進(jìn)行協(xié)同工作，并為用戶提供透明、可伸縮的數(shù)據(jù)訪問。高校實(shí)驗(yàn)室中存在大量需要管理的軟件數(shù)據(jù)和相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此在構(gòu)建中離不開云存儲(chǔ)。

2 基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

云計(jì)算實(shí)驗(yàn)室一般分為以下兩層：物理設(shè)施和虛擬化。物理設(shè)施提供底層網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)安全、計(jì)算資源的支撐。通過云桌面虛擬化，為計(jì)算機(jī)管理員提供物理資源和虛擬資源池的管理、部署、監(jiān)控等[4]。

本文從云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室物理設(shè)施（實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)）、虛擬化（云桌面）描述基于云計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

（1）云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室一般規(guī)劃3個(gè)區(qū)域：1）實(shí)驗(yàn)分組架區(qū)：所有云計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)備被安裝在機(jī)架中。包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和虛擬化軟件，所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均運(yùn)行在該實(shí)驗(yàn)設(shè)備區(qū)內(nèi)。機(jī)架管理控制服務(wù)器、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、云服務(wù)器連接至實(shí)驗(yàn)室中心交換機(jī)。2）學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺(tái)與教師機(jī)：學(xué)生和教師可以通過預(yù)先構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，虛擬系統(tǒng)對(duì)用戶透明。教師機(jī)負(fù)責(zé)演示實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容并對(duì)所有實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)設(shè)備做監(jiān)控和管理;學(xué)生學(xué)習(xí)云實(shí)驗(yàn)中心課程內(nèi)容和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)課程的區(qū)域，根據(jù)每組學(xué)生數(shù)量配置終端3）出口區(qū)：所有訪問外部網(wǎng)絡(luò)資源的流量必須通過出口網(wǎng)關(guān)。通過出口網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用識(shí)別和審計(jì)功能，可管理學(xué)生的上網(wǎng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用訪問權(quán)限。

按照上述的設(shè)計(jì)思想，基于云計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）云計(jì)算應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

云計(jì)算應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由8臺(tái)浪潮5240M4服務(wù)器作為硬件資源，通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行包括CPU、內(nèi)存、硬盤等硬件資源的整合，通過VCenter管理平臺(tái)進(jìn)行資源統(tǒng)一分配，分別建設(shè)了4個(gè)班共64套嵌套ESXI實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)，可以滿足2個(gè)班同時(shí)使用32套實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)開展云計(jì)算課程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生使用老師分配好的實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)的IP、用戶名、密碼通過VMware vSphere Client登錄進(jìn)行包括：服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化等實(shí)驗(yàn)課程，教師期末可以通過檢查相應(yīng)的學(xué)生的ESXI實(shí)驗(yàn)虛擬機(jī)所實(shí)驗(yàn)程度對(duì)學(xué)生課程成績進(jìn)行評(píng)分。

（3）公共桌面云平臺(tái)

公共桌面云平臺(tái)通過uSmartView桌面虛擬化管理平臺(tái)對(duì)2臺(tái)浪潮5270M4服務(wù)器進(jìn)行批量部署64個(gè)點(diǎn)的云桌面，這些云桌面可以滿足64臺(tái)云終端使用云桌面;平臺(tái)采用KVM[5]桌面虛擬化技術(shù)，機(jī)房管理人員可以通過不同的模板采用鏈接克隆的方式進(jìn)行批量部署實(shí)現(xiàn)云桌面的統(tǒng)一管理和批量交付，如圖2，圖3， 圖4所示;云終端只需安裝桌面云客戶端輸入相應(yīng)IP、用戶名、密碼就可以使用云桌面進(jìn)行包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及其他計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課。

3 結(jié)束語

高校云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，既是高校建設(shè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室過程中優(yōu)化資源配置，降低成本的內(nèi)在要求，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)對(duì)接”的外在需求。實(shí)踐表明，基于云計(jì)算技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)學(xué)校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息管理與信息系統(tǒng)、信息資源等相關(guān)專業(yè)在云計(jì)算實(shí)踐教學(xué)的有重大作用。

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